Méthodologie d'évaluation et bases neurales du sens de verticalité : étude chez les patients présentant un Accident Vasculaire Cérébral

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Méthodologie d’évaluation et bases neurales du sens de

verticalité : étude chez les patients présentant un

Accident Vasculaire Cérébral

Celine Piscicelli

To cite this version:

Celine Piscicelli. Méthodologie d’évaluation et bases neurales du sens de verticalité : étude chez les patients présentant un Accident Vasculaire Cérébral. Neurosciences. Université Grenoble Alpes, 2015. Français. �NNT : 2015GREAS028�. �tel-01668410�

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES

Spécialité : Sciences Cognitives, Psychologie et NeuroCognition

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Céline PISCICELLI

Thèse dirigée par Dominic PERENNOU et Julien BARRA Préparée au sein du Laboratoire de Psychologie et

Neurocognition- CNRS UMR 5105

Dans l'École Doctorale Ingénierie pour la Santé, la Cognition et

l’Environnement

Méthodologie d’évaluation et

bases neurales du sens de

verticalité

Etudes chez les patients présentant un

Accident Vasculaire Cérébral

Thèse soutenue publiquement le 18 Décembre 2015 devant le jury composé de :

Isabelle BONAN

PU/PH – Université Rennes I, CHU Rennes – Rapporteur

Christophe LOPEZ

Chargé de recherche, CNRS – Aix-Marseille Université – Rapporteur

Monica BACIU

PU - Université Grenoble Alpes – Examinateur et Présidente du jury

Michel GUERRAZ

PU – Université de Savoie – Invité

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Résumé

Le sens de verticalité constitue un référentiel spatial fondamental pour percevoir et agir dans l'espace. Il permet notamment de déterminer la position de notre corps par rapport à la direction de la gravité et participe à l’organisation du contrôle postural chez l’homme. L'évaluation du sens de verticalité pour une meilleure compréhension des troubles posturaux et spatiaux de patients ayant présentés un accident vasculaire cérébral (AVC) devient pratique courante. Cependant, l’absence de standardisation et de connaissances des qualités psychométriques des mesures de la perception de la verticale limite considérablement l’utilisation clinique de ces outils et l’élaboration d’essais thérapeutiques pour le suivi des troubles posturaux en pathologie neurologique. L’AVC constitue également le modèle lésionnel humain privilégié pour l’étude du sens de verticalité. L'identification des aires cérébrales sous-tendant les processus d’intégration multisensorielle du sens de verticalité repose majoritairement sur des techniques modernes d’analyse lésionnelle. Cependant, les connaissances des bases cérébrales de la construction et de la mise à jour du sens de verticalité sont encore partielles et appellent à des travaux complémentaires. Nos travaux de recherche visaient à améliorer notre compréhension du sens de verticalité par l’étude de ces altérations en pathologie vasculaire cérébrale, selon une double approche méthodologique et physiopathologique. Nous avons montré que l’évaluation de la perception visuelle de la verticale dans les suites d’un AVC requiert une installation précise des patients (maintien droit du tronc et de la tête chez les patients présentant des troubles posturaux) et doit être basée sur un minimum de 10 essais pour assurer une fidélité inter-essais élevée. Dans ces conditions d’évaluation, l’orientation de la verticale visuelle présente une excellente fidélité inter- et intra-évaluateur, garantissant la fiabilité de cette mesure pour la pratique et la recherche cliniques. Concernant la perception posturale de la verticale, nous proposons une procédure simplifiée et standardisée du test de la roue pour l’évaluation des biais contralésionnels de la verticale posturale après AVC hémisphérique. Enfin, nous identifions au moyen d’une analyse statistique lésionnelle un réseau d’aires corticales et sous-corticales impliqué dans la perception visuelle et posturale de la verticale. Le cœur de ces régions polymodales du sens de verticalité est centré sur le cortex operculo-insulaire et le thalamus postérolatéral, avec une nette prédominance hémisphérique droite et un chevauchement des aires nodales du cortex vestibulaire. Nos résultats nous permettent de mieux comprendre les bases cérébrales du sens de verticalité et constituent des guides importants pour l'utilisation clinique de la mesure du sens de verticalité.

Mots clés: Sens de verticalité, AVC, méthodologie d’évaluation, bases neurales, cortex vestibulaire

Abstract

The sense of verticality is a major spatial referential for perception and action in space. It allows determining our body position relatively to the gravity and it contributes to the organization of the postural control in humans. The assessment of the sense of verticality for a better understanding of postural and spatial disorders in stroke patients becomes common practice. However, the lack of standardization and psychometrical studies of the verticality perception assessment limits considerably the clinical integration of these tools and the development of therapeutic clinical trials for the follow-up of postural disorders in neurological diseases. Stroke is also the primary model for studying the sense of verticality. The identification of neural bases underlying the multisensory integration processes of the sense of verticality is based essentially on modern techniques of lesion analysis. However, our knowledge of the neural bases of the construction and updating of the sense of verticality are partial and require further studies. Our research aimed to improve our understanding of the sense of verticality through study of these disorders after stroke, according to a methodological and physiopathological dual approach. We showed that the assessment of the visual vertical perception after stroke requires a specific postural setting (the trunk and the head maintained upright in stroke patients with postural disorders) and should be based on 10 trials to achieve a high inter-trials reliability. Under these conditions, visual vertical orientation has excellent inter- and intrarater reliability, ensuring the reliability of this measure for both clinical practice and research. For the postural perception of the vertical, we proposed a simplified and standardized procedure with the wheel test to assess contralesional postural vertical biases after hemispheric stroke. Finally, by means of a lesional statistical analysis, we identified a cortical and subcortical areas network of the visual and postural vertical perception. The polymodal regions of the sense of verticality are centered on the operculo-insular cortex and the posterolateral thalamus, with a right hemisphere predominance and a partial overlap with the core regions of the vestibular cortex. Our results provide a better understanding of the neural bases of the sense of verticality in humans and constitute guidelines for the clinical use of the verticality perception measures.

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Remerciements

Ce mémoire de thèse est l’aboutissement de quatre ans de recherche, menés en parallèle d’une activité clinique de neuropsychologue, au sein de la Clinique de Médecine Physique et Réadaptation neurologique du CHU de Grenoble et du Laboratoire de Psychologie et Neurocognition (LPNC) de l’Université Grenoble-Alpes.

Aussi, je tiens à remercier Madame le Professeur Monica Baciu, directrice du LPNC, et Monsieur le Professeur Dominic Pérennou, en tant que responsable médical de la Clinique de rééducation neurologique, pour m’avoir accueillie et permis de réaliser ce travail.

Je remercie le Professeur Isabelle Bonan et Monsieur Christophe Lopez, de l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’être les rapporteurs de ce travail, ainsi que les Professeurs Monica Baciu et Michel Guerraz, pour avoir accepté d’en être les examinateurs.

Je tiens tout particulièrement, à adresser ma plus profonde gratitude à mon directeur de thèse, Dominic Pérennou qui, il y a six ans m’a fait confiance pour travailler au sein de son équipe clinique et m’a, par la suite, offert l’opportunité de concilier une activité clinique et une activité de recherche. Votre rigueur scientifique, votre passion pour la recherche clinique, vos critiques toujours très constructives ont été de véritables repères tout au long de ce travail. Merci pour votre exigence qui m’a inculqué ce qu’imposent la réflexion et l’écriture scientifiques.

Un immense merci également à mon co-directeur de thèse, Julien Barra, pour avoir si consciencieusement encadré ce travail, pour son écoute active et sa disponibilité. Merci d’avoir fait de mon parcours doctoral une expérience professionnelle et humaine enrichissante et stimulante grâce à de nombreux échanges et une réelle bienveillance.

Je tiens à remercier très sincèrement le Professeur Sylvie Nadeau dont la générosité pédagogique et sa passion de la recherche seront des lignes directrices pour moi tout au long de ma carrière. Merci pour nos échanges scientifiques et personnels qui ont été d’un réel soutien. Cette collaboration scientifique précieuse est également une véritable rencontre humaine.

Merci à Christophe Lopez, cette collaboration est une formidable opportunité d’apprendre sur le plan scientifique.

Merci au Dr Olivier Detante pour sa disponibilité et sa patience à former une neuropsychologue à la lecture des IRM.

Merci à l’équipe du Professeur Krack pour cette collaboration riche d’enseignements. Un merci tout particulier au Professeur Bettina Debû et au Docteur Anna Castrioto, pour ces nombreuses matinées de travail où, au professionnalisme se mêlaient une bienveillance et une grande générosité.

Je remercie les membres de l’équipe de la clinique de MPR neurologique, les Docteurs Patrice Davoine, Anne Chrispin et Marie Jaeger qui ont contribué à ce que ce travail se fasse dans les meilleures conditions. Merci aux kinésithérapeutes pour nos échanges scientifiques qui ont permis à la neuropsychologue que je suis de mieux appréhender la posturologie. Merci à mes nombreux collègues des équipes soignantes et de rééducation, pour votre soutien et votre humour qui m’ont accompagnée chaque jour au travail…Claudine, Agnès, Myriam, Nathalie, Katy, Anthony, Gilbert, Bastien, Sébastien, Maël, et tant d’autres…

Une pensée toute particulière pour mes collègues, psychologues et neuropsychologues, Hélène, Claire, Blandine, Charlotte, Frédérique et Solène pour votre compréhension, votre soutien et vos encouragements.

Merci à l’équipe Perception et Sensori-Motricité du LPNC, et notamment à Carole Peyrin, pour votre accueil chaleureux et votre dynamisme scientifique.

Un immense merci à ma famille, pour son soutien inégalable. Merci d’avoir compris mes absences et mes manquements en tant que fille, sœur, tata et petite-fille. Papa, maman, je ne serai jamais assez reconnaissante...votre exigence bienveillante m’a donné la force d’accomplir plus grand que moi.

A mon complice… pour ta vision de la vie et l’équilibre que tu m’apportes. Merci d’avoir compris et respecté ce qui m’animait et m’anime. Merci d’avoir accepté de faire des concessions et des parenthèses dans notre vie pour faire de mon doctorat notre priorité. Merci tout simplement de croire en moi. Avec toi, une nouvelle famille s’est ouverte à moi, et maintenant la nôtre est devant nous…

A ce petit être qui grandit en moi…je dédie ce travail. Tu es celui qui me fait prendre de la hauteur. Je t’ai tant pensé et te voilà…J’espère t’inculquer de vraies valeurs, la persévérance et la passion en seront parmi les premières puisque tu participes, avant même d’être parmi nous, à la phase finale de ce travail.

Enfin, mes derniers remerciements les plus profonds vont aux patients sans qui tout cela n’aurait pas été possible. Leur générosité, la force qu’ils mobilisent chaque jour avec humilité et sourire malgré l’épreuve qu’ils traversent sont la plus grande récompense et le plus grand enseignement de mon travail.

Avant-propos

Sur Terre, la gravité constitue un invariant directionnel primordial qui ordonne l’environnement et l’orientation des êtres vivants, tels qu’en témoignent le gravitropisme végétal ou l’évolution phylogénétique et ontogénétique de la posture érigée. L’avènement de la bipédie permanente chez l’homme constitue un des déterminants majeurs de l’évolution humaine à partir desquels se seraient développées les facultés considérées comme propres à l’espèce humaine.

L’homme a une perception extrêmement précise et développée de cet invariant gravitaire lui permettant d'orienter l'environnent (définissant le haut et le bas) et d’élaborer une représentation de son corps dans l’espace. Ce sens de verticalité se construit et se met à jour grâce à des processus d’intégration multisensorielle au sein de structures cérébrales dont les premières descriptions sont récentes (Barra et al., 2010; Baier et al., 2012; Rousseaux et al., 2015) et appellent à des travaux complémentaires. Une lésion de ces aires révèle l’importance du sens de verticalité sur la posture érigée (Pérennou et al., 2008; Bonan et al., 2007) avec une prédominance des troubles de l’équilibre chez les patients cérébrolésés droits par rapport aux patients cérébrolésés gauches (Rode et al., 1997; Pérennou et al., 1999) et une corrélation forte entre ces troubles et les altérations de la perception de la verticale (Benaim et al., 1999; Bonan et al., 2007; Pérennou et al., 2008) suggérant l’implication commune de l’hémisphère droit, considéré comme l’hémisphère de la cognition spatiale. Suite à une lésion cérébrale, les patients orienteraient inconsciemment leur corps sur une verticale biologique inclinée (Pérennou et al., 1998; Pérennou et al., 2008), expliquant en partie leurs troubles posturaux. Ces derniers, en limitant les capacités

vii

de déplacement et en majorant le risque de chute dans les pathologies neurologiques, constituent un frein pour l’acquisition de l’autonomie et représentent ainsi un enjeu de santé publique. L’étude des troubles posturaux en pathologie neurologique s’est donc enrichie ces dernières années de l’apport fondamental de la neuropsychologie de la cognition spatiale.

La contribution des évaluations du sens de verticalité dans la démarche diagnostique des troubles de l’intégration sensorielle ou dans l’évaluation des troubles de l’équilibre en pathologie neurologique n’est donc plus à démontrer. Cependant, leur utilisation en pratique clinique courante nécessite une standardisation et une meilleure connaissance des qualités psychométriques de ces outils. L’intégration de ces mesures dans le soin courant devrait permettre à terme d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques et rééducatives des troubles de l’équilibre chez les patients neurologiques. Au-delà des stratégies par modulation sensorielle, la neuro-modulation sera probablement une des pistes les plus prometteuses. Néanmoins, à ce jour, notre connaissance partielle des bases cérébrales impliquées dans le traitement de l’orientation verticale limite la perspective de telles techniques.

Mon travail de recherche s’inscrit dans cette conception cognitive novatrice des troubles de l’équilibre, qui considère les troubles posturaux après lésion cérébrale comme en partie secondaires à une altération du sens de verticalité. Le travail scientifique que nous proposons a pour but d’améliorer notre compréhension du sens de verticalité par l’étude de ses altérations, dans une recherche à double sens : de la clinique à la théorie, de la théorie à la clinique. L’étude du modèle lésionnel est actuellement une des voies privilégiées pour la

compréhension des structures cérébrales mises en jeu dans les altérations du sens de verticalité. Nous proposons comme modèle lésionnel, l’accident vasculaire cérébral (AVC), pour lequel la constitution ictale et la nature focale des lésions permettent d’étudier leurs conséquences fonctionnelles, stéréotypées et non immédiatement compensées. De plus, la fréquence et la sévérité des altérations de la perception de la verticale après AVC en font le modèle lésionnel humain privilégié pour l’étude du sens de verticalité.

Ce manuscrit se présente sous la forme d’une thèse sur articles, répartis en deux chapitres. Nous proposons une double approche de cette thématique : méthodologique et physiopathologique. Après un premier article faisant la synthèse de l’intérêt des mesures du sens de verticalité après AVC (Article 1), l’approche méthodologique vise à répondre à l’absence de standardisation et d’étude psychométrique de ces mesures, qui en limite l’utilisation en pratique clinique courante. Nos travaux se centreront essentiellement sur la perception de la verticale visuelle, test le plus couramment utilisé en pratique et en recherche. Outre l’influence de l’installation posturale sur la mesure (Article 2), nous identifierons le nombre d’essais nécessaires pour obtenir une mesure fiable (Article 3), enfin dans les conditions d’évaluation que nous aurons démontrées comme pertinentes, nous analyserons les caractéristiques psychométriques de cette évaluation à travers l’étude de la reproductibilité intra- et inter-évaluateurs (Article 4). Ces résultats seront synthétisés dans une revue de la littérature portant sur la méthodologie d’évaluation de la verticale visuelle après AVC (Article 5). Dans un second temps, cette démarche sera en partie étendue à la perception posturale de la verticale (Articles 6 et 7).

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La seconde approche pose la question de la physiopathologie des altérations du sens de verticalité. L’étude des bases cérébrales du sens de verticalité et de leur chevauchement anatomique avec les aires du cortex vestibulaire (Article 8) devrait nous permettre d’y apporter des éléments de réponse.

La présentation de ces articles sera précédée d’une introduction générale mais aussi spécifique aux deux approches, faisant un état de l’art sur les mesures de la perception de la verticale et les connaissances des bases cérébrales, abordées essentiellement à travers l’étude de patients victimes d’un AVC. L’apport et les limites de ces travaux seront discutés à l’issue de chaque partie. Les perspectives de recherche seront développées en dernière partie de ce manuscrit.

Liste des principales abréviations

AVC Accident vasculaire cérébral ORL Oto-rhino-laryngologie VV Verticale visuelle VP Verticale posturale

IRMf Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle TEP Tomographie par émissions de positons

SMT Stimulation magnétique transcrânienne VLSM Voxel-based lesion Symptom mapping IRM Imagerie par résonnance magnétique ACM Artère cérébrale moyenne

ACA Artère cérébrale antérieure ACP Artère cérébrale postérieure

CVS Caloric vestibular stimulation (stimulation vestibulaire calorique)

GVS Galvanic vestibular stimulation (stimulation vestibulaire galvanique)

PIVC Parieto-insular vestibular cortex (cortex vestibulaire pariéto-insulaire)

OP2 Aire cytoarchitectonique 2 de l’opercule pariétal VPL Noyau thalamique ventropostérolatéral

VPM Noyau thalamique ventropostérieur médian VLp Noyau thalamique ventrolatéral postérieur Vim Noyau thalamique ventro-oralis intermedius LP Noyau thalamique latéral postérieur

SCP Stimulation Cérébrale Profonde MP Maladie de Parkinson

NST Noyau sub-thalamique GdB Ganglion de la base GPi Globus pallidus interne

SNpr Substance noire pars reticulata VL Noyau thalamique ventral latéral

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Liste des figures

Figure 1. Illustration des organes vestibulaires périphériques (Writer et al., 2012)...3

Figure 2. Modèle intégré de la perception de la verticale (Barra et al., 2012)...6

Figure 3. Troubles posturaux dans le plan frontal et dans le plan sagittal...8

Figure 4. Illustration des trois modalités d’évaluation du sens de verticalité...12

Figure 5. Illustration de différents protocoles d’évaluation de la perception de la verticale visuelle...18

Figure 6. Représentation schématique des étapes de l’analyse VLSM (Baldo et al., 2012) ...150

Figure 7. Résultats de l’analyse VLSM pour la perception de la verticale visuelle (Baier et al., 2012)...155

Figure 8. Résultats de l’analyse VLSM pour la perception de la verticale visuelle, de la verticale haptique et de la verticale visuo-haptique (Rousseaux et al., 2015)...156

Figure 9. Chevauchement spatial entre les aires activées par les stimulations vestibulaires caloriques, galvaniques et les stimulations sonores (Lopez et al., 2012)...164

Liste des articles

ARTICLE 1. Etat de l’art sur l’intérêt des mesures de la perception de la verticale après AVC

………..37

Pérennou D, Piscicelli C, Barbieri G, Jaeger M, Marquer A, Barra J. (2014). Measuring verticality perception after stroke: Why and how? Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology; 44: 25-32

ARTICLE 2. Effet des conditions d’installation posturale sur la mesure de la verticale

visuelle chez les patients victimes d’un AVC

………..46

Piscicelli C, Barra J, Sibille B, Bourdillon C, Guerraz M, Pérennou D. (2015). Maintaining trunk and head upright optimizes visual vertical measurement after stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair ; Apr 22. pii: 1545968315583722.

ARTICLE 3. Etude du nombre d’essais nécessaires pour une haute fiabilité inter-essais de la

mesure de la verticale visuelle chez les patients victimes d’un AVC

………..60

Piscicelli C, Nadeau S, Barra J, Pérennou D. (2015) Assessing the visual vertical: how many trials are required? BMC Neurology ; Oct 22;15:215. doi: 10.1186.

ARTICLE 4. Etude de fidélité intra- et inter-évaluateurs de la mesure de la verticale visuelle

chez les patients victimes d’un AVC

………..67

Piscicelli C, Barra J, Davoine P, Chrispin A, Nadeau S, Pérennou D. (2015) Inter- and Intra-Rater Reliability of the Visual Vertical in Subacute Stroke. Stroke; 46(7):1979-83.

ARTICLE 5. Méthodologie d’évaluation de la perception de la verticale visuelle après AVC

………..79

Piscicelli C & Pérennou D. Visual verticality perception after stroke: a systematic review of methodological approaches and suggestions for standardization. (En révision)

ARTICLE 6. Perception de la verticale posturale chez les patients pushers après AVC:

polarité des biais et analyse de l’incertitude

………...104

Piscicelli C, Bronstein A, Pérennou D. Postural vertical in pushers after stroke: the bias is not ipsilesional but contralesional, and the uncertainty does not matter. (En préparation)

ARTICLE 7. Etude du nombre d’essais nécessaires pour une haute fiabilité inter-essais de la

mesure de la verticale posturale chez les patients victimes d’un AVC

………...132

Piscicelli C, Nadeau S, Barra J, Pérennou D. Assessing the postural vertical: how many trials are required? (Soumis)

xiii

ARTICLE 8. Etude des bases neurales du sens de verticalité

………...172

Piscicelli C, Barra J, Detante O, Krainik A, Lopez C, Pérennou D. Polymodal areas in the right brain support the human sense of upright (En préparation)

ARTICLE 9. Pathogénèse du syndrome de Pise dans la Maladie de Parkinson (Annexe 1)

………...224

Castrioto A, Piscicelli C, Pérennou D, Krack P, Debû B.(2014) The pathogenesis of Pisa syndrome in Parkinson's disease.Mov Disord. 2014 Aug; 29(9):1100-7.

2

Le sens de verticalité

Tout corps se trouvant à l’intérieur du champ gravitaire subit la force gravitationnelle dont la direction verticale, dirigée de haut en bas vers le centre de la Terre, fournit un invariant directionnel pour organiser le comportement spatial et postural des corps et des objets.L’espèce humaine, seule espèce mammifère bipède, est remarquablement efficiente dans le contrôle de l’orientation et de la stabilisation du corps en position verticale dans l’espace. Un tel contrôle nécessite la construction et la mise à jour par le cerveau d’un « sens de verticalité » qui peut être défini comme l’aptitude de l’être humain à percevoir explicitement la direction de la verticale, à élaborer une représentation mentale de verticalité, et à utiliser cette représentation pour s’orienter ou orienter une partie de son environnement spatial (Barra & Pérennou, 2013). Cette représentation interne repose principalement sur des processus intégratifs d’afférences sensorielles complémentaires, visuelles, vestibulaires, et somesthésiques.

I. Intégration multisensorielle

Par la nature même de l’identité anatomo-fonctionnelle du système vestibulaire (Gresty et al., 1992), le rôle des informations graviceptives vestibulaires dans la construction du sens de verticalité a été particulièrement documenté. Situé au sein de l’oreille interne, près des organes de l’audition, le système vestibulaire périphérique ou labyrinthe est composé au niveau de chaque oreille de deux types de capteurs sensoriels différents : trois de ces capteurs sont sensibles aux accélérations angulaires, les canaux

semi-circulaires, et deux de ces capteurs sont sensibles aux accélérations linéaires, les organes otolithiques. Le système vestibulaire périphérique fonctionne donc comme un accéléromètre biologique informant sur les mouvements de rotation et de translation de la tête dans les trois dimensions de l’espace.

Figure 1. Illustration des organes vestibulaires périphériques. Tirée de Writer et al.,

2012.

Parce qu’il est le seul capteur sensoriel spécifique au codage de l’inertie liée à l’accélération gravitaire, se comportant comme un « fil à plomb » biologique informant sur l’orientation de la tête par rapport à la gravité, le système vestibulaire otolithique est communément considéré comme le candidat privilégié pour supporter le sens de verticalité.La contribution vestibulaire au codage du sens de verticalité a été démontrée à la fois par les conséquences comportementales des pathologies vestibulaires (Dieterich & Brandt, 1992; Dieterich & Brandt, 1993; Brandt et al., 1994; Anastasopoulos et al., 1997; Bronstein et al., 2003; Pérennou et al., 2008; Barra & Pérennou, 2013) et par la modulation de la perception de la verticale par stimulation vestibulaire chez les sujets

4

sains (Tardy-Gervet & Séverac-Cauquil, 1998; Mars et al., 2001; Mars et al., 2005; Saj et al., 2006; Volkening et al., 2014). Néanmoins si le système vestibulaire est un codeur de gravité, il ne constitue pas le seul gravicepteur chez l’homme. En effet, l’existence d’autres gravicepteurs de nature somesthésique a été mise en évidence tels que les gravicepteurs viscéraux possiblement distribués autour des reins et des gros vaisseaux (Dietz et al., 1992; Mittelstaedt, 1992; Dietz & Colombo, 1996; Vaitl et al., 1997; Saborowski et al., 2002; Vaitl et al., 2002). De même, les informations graviceptives somesthésiques fournies par la proprioception Ia (Barbieri et al., 2008) et Ib (Dietz et al., 1992; Dietz & Colombo, 1996), ainsi que par l'information de pression fournie par les capteurs cutanés (Yardley, 1990; Pérennou et al., 1998; Trousselard et al., 2004; Pérennou et al., 2008) contribuent à l’élaboration d’une représentation interne de l’orientation verticale. L’influence des informations visuelles, statiques et dynamiques, a été également largement décrite. Dès 1912, Wertheimer avec sa méthode du miroir incliné a été le premier à montrer le rôle des informations visuelles dans la perception de la verticale. Son étude a été répliquée et confirmée par les recherches ultérieures impliquant une estimation visuelle de l’orientation verticale dans des pièces inclinées (Asch & Witkin, 1948) ou à l’intérieur d’un cadre incliné, méthode connue sous le nom du rod and frame test. La perception visuelle de la verticale est inclinée en direction de l’orientation des informations visuelles statiques (Guerraz et al., 1998; Guerraz et al., 2001; Bagust, 2005; Docherty & Bagust, 2010) mais également du déplacement des informations visuelles dynamiques lors de stimulations optocinétiques (Dichgans et al., 1972; Guerraz et al., 2001).

La nature multiréférencée du sens de verticalité soulève la question de la manière dont ces différentes informations sensorielles sont intégrées en une représentation

unique. En effet, chacune de ces informations sensorielles apporte une information sur l’orientation verticale, avec une redondance partielle. Malgré l’existence de cette redondance, il est toutefois possible que certaines entrées sensorielles ne soient pas disponibles ou que les informations d’orientation ne soient pas congruentes. Comment le cerveau, face à des informations sensorielles multiples et conflictuelles, résout l’ambiguïté sensorielle pour construire et mettre à jour une représentation unique de l’orientation verticale ? Comme l’écrivait Gibson en 1952, la question n’est pas « which mode is decisive when they are set in conflict but simply how do they interact ?” (Gibson, 1952). Les études sur la perception de la verticale lors de situations sensorielles conflictuelles (Dichgans et al., 1972; Mittelstaedt, 1983; Guerraz et al., 1998; Guerraz et al., 2001; Tarnutzer et al., 2009; Barra et al., 2010; Tarnutzer et al., 2010) ont progressivement suggéré l’existence de modèles internes de verticalité pour lever certaines ambiguïtés (Mittelstaed, 1983; Brandt et al., 1994; Pérennou et al., 2008; Barra et al., 2010). Les modèles internes seraient des processus neuraux généraux utilisés par le cerveau pour résoudre les ambiguïtés sensorielles, synthétiser l’information de différentes modalités sensorielles et combiner les informations afférentes et efférentes (Merfeld et al., 1999). L’existence de tels modèles pour le sens de verticalité a été suggérée dès les années 80 (Mittelstaed, 1983; Brandt et al., 1994) puis démontrée plus récemment (Lopez et al., 2007; Pérennou et al., 2008; Barra et al., 2010).

II. Modèles internes du sens de verticalité

La neurobiologie de la graviception est actuellement pensée en termes de modèles internes de verticalité comprenant des processus « bottom-up » et «

top-6

down » (Figure 2). Barra et al. (2012) proposent un modèle intégré du sens de verticalité en pensant ce dernier non plus comme un processus d’intégration multisensorielle automatique avec une pondération centrale de l’information sensorielle, mais comme un processus plus complexe intégrant également des influences « top-down » telles que la conscience de l’orientation corporelle (Barra et al., 2012) et la représentation spatiale (Mast et al., 1999; Mertz & Lepecq, 2001).

Figure 2. Modèle intégré de la perception de la verticale proposé par Barra et al., 2012.

Les auteurs identifient au moins deux processus bottom-up, l’intégration et la pondération des informations sensorielles d’une part, les signaux afférents et efférents mis en jeu dans le contrôle de l’équilibre dynamique d’autre part (Bray et al., 2004; Lopez et al., 2008). En effet, Stoffregren et Riccio (1988), en s’inspirant de la théorie écologique de la perception (Gibson, 1979), ont proposé une autre approche de l'orientation antigravitaire selon laquelle le maintien actif d'une posture érigée fournirait en lui-même l'information pertinente sur la verticale (Stoffregen & Riccio,

1988). Cette approche a été confirmée chez des sujets sains (Bray et al., 2004) et des patients vestibulaires (Lopez et al., 2008). L’interaction entre la représentation interne de verticalité et les processus sensoriels et/ou moteurs est représentée dans ce modèle par un lien à double sens, exprimant la nature référencée et source de références du sens de verticalité: les processus moteurs et sensoriels participent à la construction du sens de verticalité qui, en retour, est utilisé implicitement ou explicitement pour les comportements posturaux spatialement orientés et la perception spatiale. La dimension novatrice de ce modèle réside dans l’intégration d’influences top-down telles que la conscience de l’orientation du corps (Barra et al., 2012).

L’élaboration de tels modèles repose essentiellement sur l’étude des altérations du sens de verticalité chez les patients vestibulaires et neurologiques permettant une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant la construction et la mise à jour d’un sens de verticalité.

III. Applications cliniques

L’étude du sens de verticalité permet d’appréhender les mécanismes d’intégration sensorielle, la cognition spatiale et l’interaction entre la perception et l’action. En pratique clinique, la mesure du sens de verticalité est de plus en plus utilisée soit comme mesure de la fonction vestibulaire dans le cadre de la démarche diagnostique dans les pathologies oto-rhino-laryngologiques (ORL), soit comme mesure complémentaire des troubles de la cognition spatiale comme causes potentielles des troubles posturaux dans le cadre de l’évaluation des troubles de l’équilibre en pathologie neurologique notamment après AVC (Bonan et al., 2007; Pérennou et al., 2008). Des

8

liens significatifs ont été établis entre une anomalie de perception de la verticale et les troubles de posture en pathologie (Pérennou et al., 1998; Benaim et al., 1999; Bonan et al., 2006; Bonan et al., 2007; Pérennou et al., 2008) et dans le vieillissement normal ou pathologique (Manckoundia et al., 2007; Barbieri et al., 2010). Les troubles de l’équilibre liés à une anomalie du sens de verticalité s’expriment de façon caractéristique chez le patient victime d’un AVC par un comportement de latéropulsion (inclinaison latérale du corps) ou de rétropulsion (inclinaison vers l’arrière de l’ensemble du corps), le sujet orientant inconsciemment son corps sur une verticale biologique inclinée dans le plan frontal ou dans le plan sagittal (Figure 3).

Figure 3. Troubles posturaux (A) dans le plan frontal : latéropulsion et (B) dans le plan

sagittal : rétropulsion.

L’intégration de ces mesures dans le soin courant devrait donc permettre d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques et rééducatives des troubles de l’équilibre dans de nombreuses pathologies neurologiques et dans le cadre du vieillissement normal. Cependant, la perspective de programmes de rééducation

spécifiques nécessite de disposer de mesures fiables et suffisamment sensibles pour discriminer les différents profils d’altération et détecter des changements cliniquement importants. De manière surprenante, aucune étude n’a étudié les qualités de fiabilité des mesures de la perception de la verticale, malgré une utilisation de plus en plus répandue en pratique clinique. La fiabilité est une qualité psychométrique particulièrement importante en Médecine Physique et Réadaptation où les évaluations sont répétées dans le temps et par plusieurs intervenants afin de guider et justifier les programmes de rééducation mis en place. En recherche clinique, cette qualité est indispensable pour évaluer l’effet d’interventions thérapeutiques. Ce concept, issu de la théorie classique des tests, indique la quantité d’erreurs de mesure associée à un score particulier à un test. La théorie classique des tests postule que le score observé d’une personne à un test (X) est une estimation du score réel qui résulte de la somme entre le score réel (T) et l’erreur de mesure (E) inhérente à tout test. T et E sont des valeurs non connues, seul X est connu puisqu’il correspond au score mesuré. Le moyen d’estimer la valeur réelle (T) est d’estimer l’erreur de mesure (E) au moyen de la répétition des mesures. En effet, les changements de score entre des mesures répétées reflèteraient l’erreur de mesure, fluctuant autour d’une valeur stable, T. Etudier la fiabilité revient donc à étudier la reproductibilité des mesures et à calculer la quantité d’erreurs inhérente à la mesure. La reproductibilité des mesures peut concerner la répétition dans le temps (fiabilité test-retest), la répétition des mesures par différents évaluateurs (la fiabilité inter-évaluateurs) et la répétition de la mesure par différentes méthodes de mesure (la fiabilité entre des formes parallèles). La fiabilité n’est pas une propriété fixe d’un outil de mesure, elle est le produit de l’interaction entre l’outil, l’évaluateur, les sujets et les conditions d’évaluation (Kottner et al., 2011). La question de la généralisation des

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études de fiabilité impose donc que soient clairement spécifiés l’outil utilisé, les caractéristiques du ou des évaluateurs, les caractéristiques de la population évaluée ainsi que les conditions d’évaluation qui, dans une perspective clinique, doivent être aussi proches que possible de celles de la pratique clinique courante. Ces directives (Guidelines for Reporting Reliability and Agreement Studies - GRAAS) ont été spécifiquement établies et rédigées par un comité d’experts pour compenser le manque de standards mais aussi de consensus dans les approches statistiques parmi les études de fiabilité, notamment dans le champ médical (Kottner et al., 2011).

Au-delà du manque de connaissances des qualités psychométriques des mesures de la perception de la verticale, ces dernières, bien que largement développées, souffrent également d’un manque de standardisation.

Méthodologie d’évaluation du

sens de verticalité

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CHAPITRE I.

Etat de l’art

I. Evaluation du sens de verticalité : principes généraux

Le sens de verticalité peut être estimé en demandant explicitement au sujet, soit d’ajuster un objet extérieur (une barre) dans la modalité visuelle (verticale visuelle -VV) ou tactile (verticale haptique), soit d’ajuster son propre corps sur la direction perçue comme verticale (verticale posturale -VP) (Figure 4). Ces ajustements peuvent être effectués dans le plan frontal ou dans le plan sagittal.

Figure 4. Illustration des trois modalités d’évaluation du sens de verticalité.

Une condition indispensable à ces évaluations est un environnement dépourvu d’indice d’orientation, souvent obtenu au moyen de l’obscurité absolue. Une contre-indication aux mesures du sens de verticalité est donc la phobie du noir, à interroger chez les sujets à évaluer. Une alternative est le recours à des lunettes vidéos/ visiocasque utilisées dans certains protocoles pour supprimer cet effet de l’environnement (Bagust, 2005).

Le sujet est le plus souvent en position assise, même si la perception de la verticale peut être évaluée en position debout (Tardy-Gervet & Séverac-Cauquil, 1998; Borel et al., 2001; Suárez et al., 2012) ou dans d’autres positions dans le cadre de paradigmes spécifiques (Bray et al., 2004; Saj et al., 2005; Lopez et al., 2008). La position assise est privilégiée car elle est plus sûre, plus confortable et permet surtout d’évaluer tous les sujets, notamment les patients neurologiques, patients d’intérêt, qui souvent n’ont pas les capacités posturales suffisantes pour maintenir une posture érigée.

La mesure consiste en des ajustements répétés qui permettent d’estimer la perception de la verticale, exprimée par deux indices : un indice dit « d’orientation » correspondant à l’orientation moyenne perçue comme verticale, obtenue en moyennant la valeur des différents essais (écart entre la verticale estimée et la verticale objective) et un indice « d’incertitude » qui exprime la variabilité intra-individuelle entre les différents essais. L’indice d’orientation est le principal critère issu de ces évaluations (Brandt et al., 1994; Karnath et al., 2000; Yelnik et al., 2002; Bronstein et al., 2003; Saj et al., 2005a; Saj et al., 2005b; Bonan et al., 2006; Saj et al., 2006; Bonan et al., 2007; Pérennou et al., 2008; Barra et al., 2010; Baier et al., 2012; Baccini et al., 2014; Mansfield et al., 2015; Bergmann et al., 2015) voire le seul utilisé en routine clinique. Il exprime le « biais » de perception de la verticale, c’est-à-dire l’inclinaison de la verticale perçue par rapport à la verticale gravitaire. Par convention, chez les sujets sains un signe négatif indique une inclinaison de la verticale perçue vers la gauche et un signe positif une inclinaison de la verticale perçue vers la droite. Chez les patients avec lésions cérébrales, une conversion de signes est réalisée de telle façon qu’un signe négatif indique une inclinaison contralésionnelle de la verticale perçue, et un signe positif une inclinaison ipsilésionnelle. Contrairement à la mesure d’orientation, il n’existe pas réellement de

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consensus pour exprimer l’incertitude. L’indice d’incertitude, est en effet un critère secondaire, peu rapporté dans la littérature (Yelnik et al., 2002; Bonan et al., 2006; Bonan et al., 2007; Barra et al., 2010; Barra et al., 2012; Bergmann et al., 2015), avec une signification clinique qui reste à déterminer. Lorsqu’il est calculé, cet indice est le plus fréquemment estimé par la dispersion (écart-type) entre les différents essais (Bonan et al., 2006; Barra et al., 2010; Barra et al., 2012), il peut parfois correspondre à la différence entre la valeur d’ajustement maximale et minimale (Yelnik et al., 2002; Bergmann et al., 2015). Ce critère, en reflétant la variabilité du sujet au cours des différents ajustements, reflèterait la robustesse du modèle interne de verticalité améliorée par la congruence des informations graviceptives vestibulaires et somesthésiques (Barra et al., 2010) ou par la conscience de l’orientation du corps (Barra et al., 2012). Chez le sujet sain, les erreurs d’ajustement sont minimes, de l’ordre du degré, avec une valeur d’incertitude très faible signifiant que toutes les valeurs données par le sujet sont proches de la valeur de la verticale gravitaire et proches les unes des autres (Yelnik et al., 2002; Bonan et al., 2007; Pérennou et al., 2008; Barra et al., 2010; Bergmann et al., 2015). Les trois modalités de la perception de la verticale, visuelle, haptique et posturale, sont congruentes (Pérennou et al., 2008). En pathologie, deux types de perturbation ont été décrits, avec des dissociations possibles : un biais d’orientation et une variabilité anormalement élevée (Yelnik et al., 2002; Bonan et al., 2006; Bonan et al., 2007; Barra et al., 2010). L’existence de telles dissociations est en faveur d’une estimation de la perception de la verticale au moyen de l’indice d’orientation mais également de l’indice d’incertitude.

Des dissociations entre les différentes modalités d’évaluation du sens de verticalité (visuelle, haptique et posturale) sont également rapportées chez des patients

présentant des lésions vestibulaires périphériques ou des noyaux vestibulaires (Anastasopoulos et al., 1997; Bronstein et al., 2003) mais également dans le cas d’atteintes corticales (Pérennou et al., 2008). L’existence de ces dissociations atteste de l’indépendance et de la complémentarité des différentes informations sensorielles (visuelles, graviceptives vestibulaires et graviceptives somesthésiques) pour l’élaboration du sens de verticalité, mais aussi de leur implication différente dans les différentes modalités d’évaluation (visuelle, haptique, posturale). On retrouve en revanche, un biais transmodal contralésionnel chez les patients « pushers » (Pérennou et al., 2008) qui présentent une latéropulsion contralésionnelle active associée à une résistance à toute tentative de correction passive (Davies, 1985). Attribués depuis le début du siècle dernier au déficit moteur (Beevor, 1909), les comportements de latéropulsion et de pushing (Figure 2) sont maintenant attribués à l’existence d’un biais du sens de verticalité (Pérennou et al., 1998; Karnath et al., 2000; Pérennou et al., 2008; Mansfield et al., 2015). L’étude de Pérennou et al. (2008), évaluant chez un même groupe de 119 sujets (33 sujets sains et 86 patients victimes d’un AVC) les 3 modalités d’évaluation de la perception de la verticale, révèle que les modalités visuelles et posturales expliquent à elles-deux la majorité de la variance des données de perception de la verticale chez les sujets. Par ailleurs, la verticale haptique se révèle difficile à réaliser pour les personnes âgées (Manckoundia et al., 2007) et semble peu fiable chez des patients qui, dans les suites d’un AVC, présentent des troubles de la compréhension, des troubles praxiques et des troubles du schéma corporel pouvant interférer avec la tâche de perception (Rousseaux et al., 2015). En effet, la modalité haptique implique non seulement de la perception mais également de la représentation par le codage de la position des différents segments corporels du membre supérieur impliqué. Cette